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(1.湖北大學 計算機與信息工程學院，武漢 430062; 2.烽火通信科技股份有限公司 業(yè)務(wù)與終端產(chǎn)出線，武漢 430073)

0 引言

圖書館在使用傳統(tǒng)的無人管理座位模式時，座位使用情況的相關(guān)參數(shù)難以實時采集，因而很難對圖書館的座位形成有效的管理。隨著LoRa技術(shù)的普遍應用[1]，基于LoRa的智能圖書館座位管理系統(tǒng)也應運而生[2]。LoRa技術(shù)融合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理、超強的鏈路預算和前向糾錯編碼技術(shù)[3]，并且LoRa技術(shù)傳輸距離遠、功耗低[4]、抗干擾能力強、穿透性好的特點完美契合本系統(tǒng)的需求[5]。

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套基于LoRa技術(shù)的智能圖書館座位管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集座位狀態(tài)信息，遠程控制相關(guān)設(shè)備并且與用戶實時對接。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以顯著提升圖書館座位有效使用率，縮短人均尋找座位時間,具有良好的推廣前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，基于LoRa的智能圖書館座位管理系統(tǒng)整體上由四部分組成，即：座位管理節(jié)點、LoRa基站、智能圖書館云平臺服務(wù)器以及用戶訪問平臺。座位管理節(jié)點包括采集模塊以及顯示模塊兩部分，對采集座位狀態(tài)信息的模塊稱為采集模塊，對顯示座位狀態(tài)信息的模塊稱為顯示模塊。LoRa基站保證了智能圖書館云平臺服務(wù)器與座位管理節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。智能圖書館云平臺服務(wù)器對整個系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行處理，將其存入數(shù)據(jù)庫，在需要時隨時提取出來供用戶使用。用戶訪問平臺包括Web與手機APP。另外，一個LoRa基站覆蓋一整棟圖書館的所有座位管理節(jié)點，一個智能圖書館云平臺服務(wù)器可連接多個LoRa基站，實現(xiàn)多圖書館統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)總體設(shè)計支持數(shù)據(jù)雙向傳輸。由下至上時，由采集模塊檢測座位狀態(tài)信息，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絃oRa基站，再經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到智能圖書館云平臺服務(wù)器，最終用戶就可以獲取到實時座位狀態(tài)信息。由上至下時，由用戶通過Web或移動前端發(fā)送指令給智能圖書館云平臺服務(wù)器，再經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給LoRa基站，最后經(jīng)過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給顯示模塊，通過LED指示燈來顯示座位狀態(tài)。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

在本系統(tǒng)中，LoRa技術(shù)采用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[6]，而LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[7]是一個典型的星形拓撲結(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa基站是傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。在該智能圖書館座位管理系統(tǒng)中，終端設(shè)備為座位管理節(jié)點，后端中央服務(wù)器為智能圖書館云平臺服務(wù)器。

另外,LoRa基站與智能圖書館云平臺服務(wù)器通過4G網(wǎng)絡(luò)建立通信鏈路，在此過程中采用TCP/IP協(xié)議[8]。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 座位的預約

1)通過Web網(wǎng)頁、手機APP實現(xiàn)在線預約[9]。

2)座位預約成功后，LED指示燈為藍色，讀者會有30分鐘的時間到達座位就坐。若30分鐘后紅外傳感器檢測到無人就坐，會自動釋放該座位,并判定為一次違規(guī)；讀者到達指定座位后，點擊“確認到達”后即可就坐，LED指示燈變?yōu)榫G色，若點擊了確認達到，但30秒后紅外傳感器檢測到無人就坐會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。

3)若他人強行就坐已經(jīng)被預約的座位，紅外傳感器檢測到有人會直接將其判定為占座，LED指示燈變?yōu)榧t色，并將信號發(fā)送給值班管理員，管理員查明后，判定為一次違規(guī)。

3.2 座位的使用

1)可通過Web網(wǎng)頁或者APP實現(xiàn)暫離座位、釋放座位以及查看個人賬號信息。

2)若要暫時離開座位必須點擊“暫離”，LED指示燈變?yōu)樗{色，暫離時間是25分鐘，若超過規(guī)定時長，人體熱釋電紅外傳感器檢測到還無人就坐會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)(12:00-13:00和17:30-18:30兩個時段保留60分鐘)。若離開時沒有點擊“暫離”，則30秒內(nèi)紅外傳感器檢測到無人會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。

3)若要釋放座位必須點擊“釋放”，LED指示燈熄滅；若沒有點擊“釋放”便離開，則30秒內(nèi)紅外傳感器檢測到無人會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。若到了圖書館閉館時間，可直接離開圖書館，無需手動釋放該座位。

3.3 違規(guī)說明

1)讀者預約座位卻未在規(guī)定時間內(nèi)到達或者點擊了“確認到達”，卻無人就坐。

2)讀者沒有預約座位，卻強行就坐已經(jīng)被預約的座位。

3)讀者離開時沒有點擊“暫離”或者點擊了“暫離”但未在規(guī)定時間內(nèi)返回。

4)讀者提前離開圖書館但未釋放座位。

5)若讀者有三次違規(guī)操作，則智能圖書館云平臺服務(wù)器系統(tǒng)自動將該名讀者列入黑名單，讀者等待三天后會被移出黑名單。在黑名單期間，讀者不能在線預約座位。

3.4 注意事項

1)賬號與借書卡賬號綁定。

2)每日可在線預約座位數(shù)量限額為座位總數(shù)30%。每日只要超出在線預約限額，便會關(guān)閉在線預約座位窗口，此時讀者只能到圖書館現(xiàn)場就座。

4 系統(tǒng)平臺設(shè)計

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)本系統(tǒng)總體設(shè)計可知，硬件部分包括座位管理節(jié)點和LoRa基站。

4.1.1 座位管理節(jié)點硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的座位管理節(jié)點設(shè)計包括采集模塊和顯示模塊兩部分。如圖2所示，采集模塊由人體熱釋電紅外傳感器[8]、主控芯片、電源、LoRa無線通訊模塊四部分組成，其主要任務(wù)是將采集到的座位就坐狀態(tài)信息數(shù)據(jù)上傳給LoRa基站。顯示模塊由LED指示燈、電源、主控芯片、三部分組成，主要任務(wù)是響應LoRa基站下發(fā)的控制[9]指令來控制LED指示燈的狀態(tài)。其中出于低成本，小體積等因素的考慮，采集模塊與顯示模塊共用主控芯片、電源。對于座位管理節(jié)點，并不需要復雜的計算，但考慮其低功耗需求，座位管理節(jié)點選取STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機[10]為主控芯片。STC89C52RC是一款低功耗、高速、超強抗干擾的CMOS 8位微處理器，在傳統(tǒng)的51單片機上做了許多改進，使其為更多嵌入式系統(tǒng)提供有效的解決方案。另外，人體熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501型紅外傳感器，其感應角度在100°的錐角內(nèi)可調(diào)，感應距離在3m內(nèi)可調(diào)，均符合功能需求。 LoRa無線通訊模塊采用Rejeee公司的M-GW1全雙工LoRa無線通訊模塊。M-GW1功耗低，是高性能工業(yè)級芯片，可快速部署LoRa網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠距離低功耗的控制和數(shù)據(jù)采集的目的。

圖2 座位管理節(jié)點示意圖

4.1.2 LoRa基站硬件設(shè)計

本系統(tǒng)LoRa基站設(shè)計如圖3所示，由網(wǎng)絡(luò)接口模塊、電源模塊、主控芯片、LoRa無線通訊模塊四部分組成。LoRa基站一方面將座位管理節(jié)點中的采集模塊采集到的座位狀態(tài)信息數(shù)據(jù)發(fā)送給智能圖書館云平臺服務(wù)器，另一方面響應智能圖書館云平臺服務(wù)器下發(fā)的指令，并讓座位管理節(jié)點中的顯示模塊執(zhí)行。對于LoRa基站，除了低功耗特性外還需要滿足一定復雜計算能力，因此LoRa基站選取ST公司的STM32F103[11]為主控芯片。STM32F103是一款ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，內(nèi)置高速存儲器，有睡眠、停機、待機3種低功耗模式等特點。LoRa無線通訊模塊采用M-GW1全雙工LoRa無線通訊模塊，與座位管理節(jié)點相同，在此不再做詳細說明。

圖3 LoRa基站示意圖

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 座位管理節(jié)點軟件設(shè)計

LoRa節(jié)點在LoRaWAN協(xié)議里被分為ClassA、Class B和Class C三類不同的工作模式。本系統(tǒng)中的座位管理節(jié)點Class B模式是固定周期時間同步，兼顧實時性和低功耗。如圖4所示，啟動LoRa無線通訊模塊后，每當結(jié)束字節(jié)完成時，則進行數(shù)據(jù)幀類型的判斷。對來自采集模塊的數(shù)據(jù)，先封裝成幀，添加幀頭、幀尾，然后通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至LoRa基站；對來自LoRa基站的數(shù)據(jù)，先解幀，拆除幀頭、幀尾、然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊，后者接收到數(shù)據(jù)后，調(diào)整LED燈顯示狀態(tài)。至此，便實現(xiàn)了采集模塊數(shù)據(jù)的上傳與LoRa基站指令的下達。

圖4 座位管理節(jié)點流程圖

4.2.2 LoRa基站軟件設(shè)計

如圖5所示，啟動LoRa無線通訊模塊后，每當結(jié)束字節(jié)完成時，則進行數(shù)據(jù)幀類型的判斷。對來自智能圖書館云平臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)，先封裝成幀，添加幀頭和幀尾，然后通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至座位管理節(jié)點；對來自座位管理節(jié)點的數(shù)據(jù)幀，先解幀，拆除幀頭、幀尾，然后通過4G網(wǎng)絡(luò)接口模塊發(fā)送至智能圖書館云平臺服務(wù)器，后者接收到數(shù)據(jù)后，實時地推送給用戶訪問平臺。至此，便實現(xiàn)了LoRa基站數(shù)據(jù)的上傳與智能圖書館云平臺服務(wù)器指令的下達。

圖5 LoRa基站流程圖

4.2.3 通信協(xié)議的設(shè)計

為了實現(xiàn)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計出4種類型的數(shù)據(jù)幀，分別為上行數(shù)據(jù)幀、下行反饋幀、下行指令幀、上行反饋幀。上行數(shù)據(jù)幀表示下層采集模塊將采集到的座位狀態(tài)信息發(fā)送給上層智能圖書館云平臺服務(wù)器；下行反饋幀表示下層座位管理節(jié)點在收到該幀后可以得知上層智能云平臺服務(wù)器是否接收到上行數(shù)據(jù)幀；下行指令幀表示上層智能圖書館云平臺服務(wù)器發(fā)送給顯示模塊的指令；上行反饋幀表示上層智能圖書館云平臺服務(wù)器收到該幀后可以得知下層座位管理節(jié)點是否接收到了下行指令幀。

另外，根據(jù)本系統(tǒng)的性能以及功能需求，設(shè)計了一條通用數(shù)據(jù)幀，幀內(nèi)每一個字段的數(shù)據(jù)以十六進制方式存儲。如表1所示，每一幀都包含幀頭、數(shù)據(jù)字段、幀尾3個部分。其中，幀頭由幀首、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)幀類型三部分組成。數(shù)據(jù)字段由座位管理節(jié)點ID、MAC地址、有效數(shù)據(jù)、校驗位這4個部分組成。如表1所示，幀的定界由幀首，幀尾來完成。幀首表示幀起始的地方，用0x01表示。幀尾表示幀結(jié)束的地方，用0x04表示。數(shù)據(jù)長度表示數(shù)據(jù)字段的長度。數(shù)據(jù)幀類型表示數(shù)據(jù)幀的類型。座位管理節(jié)點ID表示一個座位管理節(jié)點的編號。MAC地址表示對應座位管理節(jié)點的物理地址。有效數(shù)據(jù)表示真正有用的數(shù)據(jù)，長度不定。校驗位表示從數(shù)據(jù)長度域開始到客戶數(shù)據(jù)字段結(jié)束。

表1 通用數(shù)據(jù)幀

5 系統(tǒng)測試與分析

本文從功能測試與性能測試兩方面來驗證基于LoRa的智能圖書館座位管理系統(tǒng)的實際效果。以湖北大學圖書館為例(共十二層樓)，在圖書館的每一層都劃分出該層座位總數(shù)(每層座位總數(shù)為300個左右)30%的座位作為智能座位管理區(qū)域。為了更好的驗證系統(tǒng)的功能與性能，每一層樓除了將智能座位管理區(qū)域劃分在中心區(qū)域，還特地在最偏遠的一些角落也按照比例選取了一些座位。剩下的座位總數(shù)為70%的區(qū)域為傳統(tǒng)的無人管理座位區(qū)域。具體實現(xiàn)為：首先在圖書館樓頂架設(shè)一個LoRa基站，然后在智能座位管理區(qū)域布置好座位管理節(jié)點，最后搭建一個圖書館云平臺服務(wù)器和用戶訪問平臺。下面詳細介紹用戶訪問平臺(以網(wǎng)頁界面為例)。

1.4.1 術(shù)前準備 ①患者及家屬知曉手術(shù)細況，并自愿簽署手術(shù)知情同意書；②確?；颊吣c道情況良好，為患者進行通便灌腸，并術(shù)前兩天對患者采取禁食處理；③對患者進行超聲檢查腹部、胸部，對患者肝臟、肺臟等臟器情況詳細調(diào)查；④保證患者情緒正常和患者體質(zhì)符合手術(shù)要求。

預約座位：如圖6所示，進入預約座位界面可以預約空余的座位。

圖6 預約座位界面

確認到達：如圖7所示，到達預定座位之后，點擊“確認到達”按鈕即可就坐。

圖7 使用座位界面

暫時離開：如圖8所示，要暫時離開的話，先點擊“暫時離開”按鈕，離開之后會進入保留座位25分鐘的倒計時。

釋放座位：如圖9所示，離開之前先點擊“釋放座位”按鈕，然后離開。

圖9 釋放座位界面

5.1 系統(tǒng)功能測試

功能測試主要從系統(tǒng)功能的完整性、系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、兩種模式下座位的有效使用率以及人均尋找座位時間，一共4個方面來考察。第一組對比為傳統(tǒng)無人管理模式區(qū)域與智能座位管理區(qū)域的座位有效使用率對比(座位有效使用率 = 實際座位平均使用時長/理論最大座位平均使用時長)，測試結(jié)果如表2所示。按照各院校中的各年級的人數(shù)比例，隨機選取一共200人作為樣本對象。樣本對象第一個星期使用傳統(tǒng)的無人管理模式，第2個星期使用智能圖書館座位管理系統(tǒng)，將人均尋找座位時間進行對比，這是第二組對比，測試結(jié)果如表3所示。

表2 座位有效使用率統(tǒng)計

表3 人均尋找座位時間統(tǒng)計

經(jīng)過兩個星期的功能測試，結(jié)果表明 基于LoRa的智能圖書館座位管理系統(tǒng)實現(xiàn)了所有的設(shè)計功能且運行穩(wěn)定。相比傳統(tǒng)的無人管理座位模式,座位有效使用率有了顯著提升，人均尋找座位時間有了明顯縮短。

5.2 系統(tǒng)性能測試

主要從該系統(tǒng)的覆蓋率以及對座位管理節(jié)點的最大負載兩方面來考察。在圖書館內(nèi)測試距離以樓層序號為單位，考慮到對整棟圖書館的覆蓋，選取12樓、8樓、4樓、1樓為測試樣本，測試樓層選取一個星期7天，每天在8:00-12:00、14:00-17:30、18:30-21:303個時段連續(xù)收發(fā)10000個數(shù)據(jù)包，分別統(tǒng) 計數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率與誤碼率，測試結(jié)果如表4所示(考慮到每天測試結(jié)果大體相同，該表只給出了星期二的測試結(jié)果)。另外，對該系統(tǒng)進行拓展覆蓋率測試，在圖書館外選取200 m、400 m、700 m、1 000 m為樣本測試距離。如表4所示，即使是在晚自習18:30-21:30最高峰的時段，最偏遠的角落里，該系統(tǒng)對圖書館內(nèi)的覆蓋率為100%，數(shù)據(jù)的丟包率和誤碼率均為零。如表5所示，在圖書館外，隨著LoRa網(wǎng)絡(luò)通信傳輸距離的增加，數(shù)據(jù)的丟包率和誤碼率逐漸增加，值得注意的是，距離為1 000 m時的丟包率僅為1.0%，誤碼率僅為1.15%。

表4 圖書館內(nèi)丟包率與誤碼率統(tǒng)計

經(jīng)過性能測試，上述結(jié)果表明LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠，且有較好的穿透性，完全能夠100%無死角覆蓋整棟圖書館。另外，該系統(tǒng)在最高峰時段，依然能夠滿足1 000個左右的座位管理節(jié)點的正常通信。由此可見，基于LoRa無線組網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)具有很好的性能。

表5 圖書館外丟包率與誤碼率統(tǒng)計

6 結(jié)束語

本文旨在將LoRa技術(shù)應用在智能圖書館座位管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)底層座位管理節(jié)點，中繼LoRa基站，上層智能圖書館云平臺服務(wù)器三者之間的實時通信，滿足智能圖書館座位管理系統(tǒng)的功能與性能需求。文中對系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能設(shè)計、軟硬件設(shè)計以及通信協(xié)議設(shè)計做出了詳細的研究。該系統(tǒng)便于組網(wǎng)，成本與功耗也很低，而功能與性能測試的結(jié)果也表明該系統(tǒng)不僅顯著提升座位有效使用率，縮短人均尋找座位時間，還具備抗干擾能力強，穿透性強，傳輸距離遠的優(yōu)點，這使得該系統(tǒng)具有良好的前景與市場。